计算机原理

计算机原理

第1章 计算机基础第2章第3章第4章第5章第6章第7章第8章本课程知识结构

1980至今 1945-1955 1965-1980 1955-1965 第1章计算机系统概述 1.1 计算机系统的发展与应用 1.1.1 计算机系统的发展及分类第四代计算机个人计算机（PC）第一代计算机真空管和插件板第三代计算机集成电路芯片和多道程序第二代计算机晶体管和批处理系统

根据应用范围分类 根据规模分类专用计算机巨型机具有可靠、经济、快速等特点；但设计是针对特定应用的，使用面较窄。大型机小型机微型机通用计算机工程工作站使用面广，通用性强，操作相对简单。联机系统网络第1章计算机系统概述 1.1 计算机系统的发展与应用 1.1.1 计算机系统的发展及分类

IBM大型机 “天河一号”巨型机笔记本电脑台式机第1章计算机系统概述 1.1.1 计算机系统的发展及分类它标志着我国成为全球掌握千亿次巨型机技术的第二个国家。通用性最强，功能也很强

根据使用方式分类 工作站以个人计算机环境和分布式网络计算环境为基础。有较高的性价比。工作站服务器网络环境或在具有客户/服务器结构的分布式计算环境中，为客户的请求提供服务的结点计算机。服务器第1章计算机系统概述 1.1.1 计算机系统的发展及分类

自动控制 测量、测试人工智能科学计算家用电器信息处理教育卫生第1章计算机系统概述 1.1.2 计算机系统的应用

冯·诺依曼原理的基本思想 第1章计算机系统概述 1.2 硬件系统硬件系统，是指构成计算机的物理设备，即由机械、光、电、磁器件构成的具有计算、控制、存储、输入和输出功能的实体部件。 • 采用二进制形式表示数据和指令，指令由操作码和地址码组成。 • “程序存储”和“程序控制”的概念 • 指令的执行是顺序的，即一般按照指令在存储器中存放的顺序执行，程序分支由转移指令实现。 • 计算机由存储器、运算器、控制器、输入设备和输出设备五大基本部件组成，并规定了这五大部件的基本功能。

冯·诺依曼机结构图 第1章计算机系统概述 1.2 硬件系统

输入设备 输出设备运算器控制器存储器用来存放数据和程序的部件将计算机处理的结果以人们能接受的或其他机器能接受的形式输出对信息进行运算处理的部件将数据和程序转换成计算机能够识别和接受的信息，并顺序把它们送入存储器中整个计算机的控制核心第1章计算机系统概述 1.2 硬件系统

是底层的系统软件，它是对硬件系统功能的首次扩充，也是其他系统软件和应用软件能够在计算机上运行的基础。是底层的系统软件，它是对硬件系统功能的首次扩充，也是其他系统软件和应用软件能够在计算机上运行的基础。服务程序有编辑程序、计算机硬件初始化程序和测试排错程序等，主要用于计算机设备自身的应用服务。服务程序操作系统系统软件把汇编或高级语言程序翻译成计算机硬件可以直接处理的机器语言，存放于计算机内存中供计算机系统执行。数据库就是相关数据的集合。数据库和管理数据库的软件构成了数据库管理系统。语言处理程序数据库管理系统第1章计算机系统概述 1.3 软件系统 1.3.1 系统软件

第1章计算机系统概述 1.3.2 应用软件应用软件是指除了系统软件以外的所有软件，它是用户利用计算机及其提供的系统软件为解决各种实际问题而编制的计算机程序。常见的应用软件有：各种用于科学计算的程序包、各种字处理软件、计算机辅助设计、辅助制造和辅助教学等软件以及各种图形软件等。例如，文字处理软件Word、WPS和Acrobat，表格处理软件Excel，软件工具 Norton，绘图软件AutoCAD、Photoshop等。

第2章计算机中的数据信息表示 2.1 数据的表示在计算机领域，数据指计算机加工的“原料”，如图像、声音、文字、数字、字符等。在计算机内部，数字、文字、图像、声音和视频等不能直接由计算机进行处理和存储，它们必须采取“特殊的表达形式”才能由计算机进行处理。这种特殊的表达形式就是0、1编码的形式。在计算机系统中所指的数据均是以0、1编码形式出现的。

第2章计算机中的数据信息表示 2.1 数据的表示数值型数据是指具有特定值的一类数据，可用来表示数量的多少，可比较其大小。非数值型数据包括字符数据、逻辑数据等。还有一些专用处理器，其指令集可对多媒体信息进行专门处理。在这种情况下，也可将图像、声音和视频数据看成是非数值型数据。

第2章计算机中的数据信息表示 2.1 数据的表示采用二进制表示方式的原因： • 计算机内部只有两个基本符号0和1，这两种基本状态易于用物理器件表示。 • 运算规则简单，操作实现容易，0、1编码易于表示，计算机采用0、1编码。 • 二进制中的1和0，正好与逻辑命题中的“真”和“假”相对应，为计算机实现逻辑运算和程序中的逻辑判断创造了良好的基础。

第2章计算机中的数据信息表示 2.2 进位计数制及其之间的相互转换 2.2.1进位基数和位的权 “基数”是指计数制中所用到的数码的个数。通常进位基数用R表示，由于数码中包含了0，故最大数码要比基数小1。例如，十进制中最大数码为：（R-1）=（10-1）=9，以此类推，二进制、十六进制的最大数码分别为1和15（编码为F），它们分别是“逢二进一”和“逢十六进一”。

第2章计算机中的数据信息表示 2.2.2二进制数制二进制数制的基数是2，只有两个不同的数码0和1，它是“逢二进一”的。任意一个二进制数（S）2都可以用下面的表达式来表示：

移位性质 奇偶性质等位性小数点右移一位（数值位左移），数值增大一倍，小数点左移一位（数值位右移），数值减小为原来的二分之一。对整数，最低位为0是偶数，最低位为1是奇数。经计算，一位十进制数需用3.32位二进制数码来表示。第2章计算机中的数据信息表示 2.2.2二进制数制二进制的性质

第2章计算机中的数据信息表示 2.2.3 十六进制数制 4位二进制数可表示24=16个值，即0、1、2、…、9、10、11、12、13、14、15，将其中的10～15依次表述为A、B、C、D、E、F时就是十六进制数制，即“逢十六进一”，它用16个数码0～9、A～F表示。其中，基数R=16。反过来，由于数16和数2的关系可表示为：R=16=24，因此1位十六进制数码可用4位二进制位来表示。有了这种对应关系，二进制和十六进制之间的转换就非常简单。

第2章计算机中的数据信息表示 2.2.4 二进制与十进制计数制间的相互转换【例2-1】将（01011011）2转换为十进制数。故（01011011）2=（64+16+8+2+1）10=（91）10

第2章计算机中的数据信息表示 2.2.4 二进制与十进制计数制间的相互转换【例2-2】将（178）10转换为二进制数。在上表中，将178按第二行各位的值分解，178=128+32+16+2，得到第四行，写出第三行，即可得到对应的二进制数10110010，即（178）10=（10110010）2

第2章计算机中的数据信息表示 2.3 数值数据的表示 2.3.1定点数与浮点数定点数：计算机中一个数的小数点的位置是固定的。浮点数：计算机中一个数的小数点的位置是固定的。

纯小数表示 整数表示法符号 . 数值部分符号数值部分. 第2章计算机中的数据信息表示 2.3.1定点数与浮点数定点数表示法小数点小数点

第2章计算机中的数据信息表示 2.3.1定点数与浮点数浮点数表示法 • 浮点数表示法就是指在数的表示中，其小数点的位置是浮动的。任何一个二进制数X都可以表示为 • X=±S×B±E • 这样的数存储在一个二进制字的3个字段中： • 符号：正或负 • 有效数S(significant) • 指数E(exponent)

0 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 第2章计算机中的数据信息表示 2.3.1定点数与浮点数【例2-3】假设由S、E、M三个域组成的一个32位二进制字所表示的非规格化浮点数X，其真值表示为 X=±S×B±E=(-1)S×(1.M)×2E-128 问：它所表示的规格化的最大正数、最小正数、最大负数、最小负数是何值? 解：最大正数 X=(-1)0×2255-128× [1+(1-223)]（对8位指数偏移值即128，尾数隐含一个1加上该1） =+[1+(1-223)] ×2127 ≈3.4×10+38

0 1 0000 0000 1111 1111 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1111 1111 1111 1111 1111 1111 第2章计算机中的数据信息表示 2.3.1定点数与浮点数最小正数 X=(-1)0×20-128× [1+(0)] =1×2-128 最小负数 X=(-1)1×2255-128× [1+(1-223)] ≈-3.4×10+38

0 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 第2章计算机中的数据信息表示 2.3.1定点数与浮点数最大负数 X=(-1)1×20-128× [1+(0)] =-1×2-128 可以看出，对浮点数判溢出，若指数E>127，无论正负均为绝对值大于可表示的范围，为“上溢”，若指数E=0，无论正负均为绝对值小于可表示的范围，为“下溢”。为“下溢”时即可看成是机器零。

第2章计算机中的数据信息表示 2.3.2原码、补码和反码原码在计算机中规定整数的最高位用于表示符号位，规定0表示正号，1表示负号，这样的表示方法即为机器数的原码表示。例如： +38=00100110的最高位0即为符号位“+”。 -38=10100110的最高位1即为符号位“-”。 0会有+0和-0两种编码：［+0］原=00000000 ［-0］原=10000000

对于整数，n位二进制数的补码表示： x x≥0 2n+1-x=2n+1-|x| x＜0 可以看出上式中2n+1为n位二进制的模，即n位二进制数的最大值为111…111（n个1），加1即为模，若n=7，则11111111=255，模为255+1=256=28（n取值为0，1，2，…，7）。 X= 第2章计算机中的数据信息表示 2.3.2原码、补码和反码补码【例2-4】求正数X=+1001010和负数Y=-1001010的补码。解：符号位为1位，数值位为7位，共8位，7位数值位的二进制的模为 2（7+1）=28=100000000 [X]原=01001010 [X]补=01001010+模=01001010+100000000=100000000+01001010 =101001010=01001010

正数的补码即该正数本身。 负数的补码为符号位取1，数值位取反加1。对于纯小数，只要将其看成模为1的数，即可引用前面所有性质。第2章计算机中的数据信息表示 2.3.2原码、补码和反码 [Y]原=11001010 [Y]补=11001010+模=11001010+100000000=100000000+11001010 =100000000+（-1001010）=(11111111+1)-1001010 =（11111111-1001010）+1 可以看出，上式中（11111111-1001010）不需要进行减法运算，符号位为1-0=1，由于被减数各位均为1，数值位只需要对减数取反即可。二进制的求补规律

3种机器数的特点 第2章计算机中的数据信息表示 2.3.2原码、补码和反码正数的反码是这个数本身；负数的反码是符号位为1，数值部分等于其绝对值各位求反。反码 • 补码中零只有唯一编码。 • 3种机器数的最高位均为符号位。 • 当真值为正时，原码、补码和反码的表示形式均相同，即符号位用0表示，数值部分与真值相同。 • 当真值为负时，原码、补码和反码的表示形式不同，但其符号位都用1表示，而数值部分有这样的关系：补码是原码的“求反加1”，反码是原码的“每位求反”。

第2章计算机中的数据信息表示 2.4 非数值数据的表示 2.4.1ASCII码编码人们交换信息时使用英文字母、标点符号、专用符号和十进制数字等，这些都是字符。有关字符的编码标准，现在都采用国际上通用的“美国标准信息交换代码”（American standard code for information interchange，ASCII）。这种代码用7位二进制编码，可表示27=128个字符，其中包括10个十进制数字（0～9）、52个大写英文字母和小写英文字母（A～Z、a～z）、32个通用控制字符和34个专用字符。

数字编码 拼音码字形编码常用的是国标区位码，这种方法是用数字串代表一个汉字输入。优点是无重码，且输入码和内部编码的转换比较方便，缺点是代码较多，不便于记忆。拼音码是以汉语拼音为基础的输入方法，凡是掌握汉语拼音的人，不需要培训和专门的记忆就可使用。但是汉字的同音字很多，输入的重码率很高。将汉字的笔画部件用字母或数字进行编码，按照笔画的书写顺序依次输入，就能表示一个汉字，如五笔输入法就是一种字形编码的输入方法。第2章计算机中的数据信息表示 2.4.2 汉字编码汉字的输入编码

第2章计算机中的数据信息表示 2.4.2 汉字编码汉字内码汉字内码是用于汉字信息的存储、交换、检索等操作的机内代码，一般采用两个字节表示。英文字符的机内代码是7位的ASCII码，当用一个字节表示时，最高位是0。为了能与字符相互区别，汉字内码中两个字节的最高位均规定为1。例如，汉字操作系统CCDOS中使用的汉字内码是一种最高位为1的两字节内码。

量化用专门的模／数转换电路将每一个离散值转换成一个用n位二进制表示的数字量，这是计算机能接受的数据形式，进一步编码后，就可以以声音文件的形式送入计算机，存储在硬盘上。当计算机播放语音信息时，则把声音文件中的数字信号还原成模拟信号，通过音响设备输出。采样一般由麦克风、录音机等录音设备把语音信号变成频率、幅度连续变化的电流信号。此时它仍是一种模拟信号，不能被计算机接收，需要通过采样器每隔固定时间间隔对声音的模拟信号截取一个幅值，这个过程称为采样。第2章计算机中的数据信息表示 2.4.3其他信息的编码声音的计算机表示方法

量化把灰度值转换成n位二进制表示的数值称为量化。一幅视觉图像经过抽样与量化后，转化为由一个个离散点的二进制数组成的数字图像，这个图像称为位图图像。采样将图像在二维空间上的画面分布到矩形点阵的网状结构中，矩阵中的每一个点称为像素点，分别对应图像在矩阵位置上的一个点，对每个点进行抽样，得到每个点的灰度值（量度值）。第2章计算机中的数据信息表示 2.4.3其他信息的编码位图图像的计算机表示

第2章计算机中的数据信息表示 2.4.3其他信息的编码图形的计算机表示印刷线路布置图往往包含矩形、三角形、直线、螺旋线等形状，完全可以用一个个离散点的二进制值表示位图图像。但对于这类图像，计算机常使用另一种处理方法：用图像采集设备输入图像后对图像依据某种标准进行分析、分解，提取出具有一定意义的独立的信息单位——图元，如一段直线、一条曲线、一个矩形、一个圆、一个电路符号等，并设计一系列指令，用指令描述一个个图元及各图元之间的联系，于是一幅原始图像就以一组有序的指令形式存入计算机。当计算机要显示一幅存储的图像时，只需读取指令，逐条解析、执行指令，就能将指令描述的图元重新组合成图像输出。

第3章运算方式及运算部件 3.1 数字逻辑与数字电路 3.1.1 逻辑代数基本知识数字逻辑信号通常电子系统中都含有模拟和数字两种模块。与模拟电路相比，在存储、分析和传输信号时，数字电路更具优越性。在数字电路中，常用二进制数来量化连续变化的模拟信号，而二进制数正好是用0和1来表示的。这里的0和1不是十进制中的数字，逻辑0和逻辑1不代表数值的大小，仅表示相互矛盾、相互对立的两种逻辑状态，这样就可借助复杂的数字系统来实现信号的存储、分析和传输。

第3章运算方式及运算部件 3.1.1 逻辑代数基本知识逻辑电平逻辑代数与普通代数的相似之处在于它们都是用字母表示变量，用代数式描述客观事物间的关系。但不同的是，逻辑代数是描述客观事物间的逻辑关系的，逻辑函数表达式中的逻辑变量的取值和逻辑函数值只有两个值，即0和1，称之为数字逻辑。

第3章运算方式及运算部件 3.1.2常见的逻辑电路部件与门用真值表表示的两输入端与门如下表所示，逻辑符号如下图所示。

第3章运算方式及运算部件 3.1.2常见的逻辑电路部件或门用真值表表示的两输入端或门如下表所示，逻辑符号如下图所示。

第3章运算方式及运算部件 3.1.2常见的逻辑电路部件非门非门可以用反相器电路实现，因此非门又称为“反相器”。用真值表表示的非门如下表所示，逻辑符号如下图所示。

第3章运算方式及运算部件 3.1.2常见的逻辑电路部件与非门用真值表表示的两输入端与非门如下表所示，逻辑符号如下图所示。

第3章运算方式及运算部件 3.1.2常见的逻辑电路部件或非门用真值表表示的两输入端或非门如下表所示，逻辑符号如下图所示。可以利用或非门的输入端A来控制输入端B。当A=0时，B输入信号被反相输出；当A=1时，则不管B的值是什么，Y都为0。

第3章运算方式及运算部件 3.1.2常见的逻辑电路部件异或门用真值表表示的两输入端异或门如下表所示，逻辑符号如下图所示。从逻辑表达式中可以看出，异或门能够用与门、非门和或门来实现。

第3章运算方式及运算部件 3.2 常用的组合逻辑电路设计 3.2.1 加法器半加器半加器是指在运算的过程中不考虑进位的加法器。

第3章运算方式及运算部件 3.2.1 加法器全加器半加器只是将两个一位数相加，没有考虑来自低位的进位。如果要进行多位二进制数的相加，必须同时考虑来自低位的进位，这种加法器称为全加器。

第3章运算方式及运算部件 3.2.2译码器译码器是具有多个输入端和多个输出端的器件。它的作用是通过对编码的移码，从而形成相应的控制信号或输出信号，即把给定的代码进行“翻译”，变为相应的状态，使输出通道中相应的一路有信号输出。也就是说，译码器是把输入的一种格式的代码信号变为另一种格式的信号，以实现代码所要求的操作的部件。译码器是计算机中不可缺少的器件，主要用于控制器中的指令分析和存储器中的地址选择上。如CPU控制器中的指令译码器是专门对指令中的操作码进行译码的，使其变成各种操作控制信号。CPU从地址线输出的地址码，经过地址译码后，启动CPU所选中的I/O接口或存储器芯片，进行读写操作。

第3章运算方式及运算部件 3.2.3 寄存器串行寄存器串行寄存器的逻辑结构如下图所示。

第3章运算方式及运算部件 3.2.3 寄存器并行寄存器并行寄存器就是当时钟脉冲CP到来时，各触发器的输入端数据可以被锁定至输出端以备输出的寄存器。下图是并行寄存器的组成原理图。

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